翟明国１*，吴福元１，胡瑞忠２，蒋少涌３，李⽂昌４，王汝成５，
王登红６，齐涛７，秦克章１，温汉捷２，８
1中国科学院地质与地球物理研究所，岩⽯圈演化国家重点实验室
2中国科学院地球化学研究所，矿床地球化学国家重点实验室 3中国地质⼤学（武汉），紧缺战略矿产资源协同创新中⼼，地质过程与矿产资源国家重点实验室和资源学院
4中国地质调查局，成都地质调查中⼼
5南京⼤学，内⽣⾦属成矿机制国家重点实验室和地球科学与⼯程学院 6中国地质科学院矿产资源研究所
7中国科学院过程⼯程研究所
8中国科学院⼤学
*通信作者
内容提要：
1关键⾦属和关键矿产资源概念、种类
中国证监会微博2关键⾦属矿产的主要特征
3关键⾦属矿床主要类型
4关键矿产资源研究的主要科学问题
［摘要］以稀有、稀散和稀⼟元素为主体的战略性关键⾦属矿产资源，在新材料、新能源和信息技术等新兴产业具有不可替代的重⼤⽤途。近年来，美欧等发达经济体先后制定了各⾃的关键矿产资源发展战略。未来⼏⼗年，世界主要国家将会为这些资源的持续安全供给进⾏不懈努⼒。本⽂扼要总结了战略性关键⾦属矿产资源的基本特征为“稀”、 “伴”和“细”；提出关键⾦属矿床的五种主要类型，即花岗岩－伟晶岩型、碱性岩－碳酸岩型、镁铁质－
超镁铁质岩型、热液贱⾦属硫化物型和风化－沉积型；建议应重点关注的关键科学问题为关键⾦属元素多圈层循环与超常富集机理以及关键⾦属元素赋存状态与⾼效清洁利⽤。
［关键词］关键矿产资源；基本特征；矿床类型；科学问题；基础研究
关键⾦属（Critical Metals）和关键矿产资源（Crtical Minerals）是国际上近年提出的新概念，是指对新材料、新能源、信息技术、航空航天、国防军⼯等新兴产业具有不可替代重⼤⽤途的⼀类⾦属元素及其矿床的总称。关键⾦属之所以在新兴产业具有⼴泛⽤途，在于其独特的材料性能。据预测，随着科技和新兴产业的发展，未来⼏⼗年全球对关键⾦属的需求将迅猛增长，供需⽭盾⽇益突出。但是，这些⾦属在⾃然界的储量相对较少且分布⾼度不均，存在较⾼供应风险。因此，关键⾦属或关键矿产是重要战略资源。基于关键矿产资源对国家安全和新兴产业发展的重⼤意义，欧美等发达经济体，近年先后制定了各⾃的关键矿产发展战略。美国更是于2017年由特朗普总统签发了《确保关键矿产安全和可靠供应的联邦战略》的第13817号⾏政令，强调要查明关键矿产的新来源，减少因关键矿产供应链中断带来的国家安全与经济发展隐患，保障美国对关键矿产资源的稳定供给。因此，对关键矿产资源的研究已上升到发达经济体的国家战略层⾯。欧盟2018年发布的《关键原材料和循环经济》报告中所列的关键⾦属为27种（类）；美国2017年发布的《美国的关键矿产资源—经济和环境地质及未来供应展望》报告中所列的关键⾦属为43种。虽各国列出的关键⾦属种类和数量有所不同，但这些元素绝⼤部分都属于稀有⾦属（如Li、Be、Rb、Cs、Nb、Ta、Zr、Hf、W等）、稀⼟⾦属（La、
所不同，但这些元素绝⼤部分都属于稀有⾦属（如Li、Be、Rb、Cs、Nb、Ta、Zr、Hf、W等）、稀⼟⾦属（La、Cs、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Y）、稀散⾦属（Ga、Ge、Se、Cd、In、Te、Re、Tl）和其他稀少稀贵⾦属（PEG、Cr、Co等），可简称为“四稀”元素。这些关键矿产中，我国紧缺的主要有Li、Be、Nb、Ta、Zr、Hf、Re、PEG、Cr、Co等，优势的主要包括W、REE、In、Ge、Ga、Se、Tl、Te等。本⽂将由上述“四稀”元素形成的矿床定义为我国的战略性关键矿产。尽管我国对这些矿产已开展相关研究并取得重要进展，但即使是对我国的上述优势矿产，也仍存在基础研究薄弱、资源家底不清，战略统筹不⾜等严重问题。需要地质、矿产、冶⾦等多学科的交叉合作，加强对关键⾦属元素圈层循环与成矿机理和成矿规律、关键⾦属元素赋存状态和⾼效清洁利⽤等问题的基础研究，为摸清我国关键矿产资源家底、提⾼关键矿产资源的战略统筹能⼒提供重要科学依据。2018年12⽉8-9⽇，由国家⾃然科学基⾦委员会地球科学部、化学科学部、⼯程与材料科学部与政策局共同主办的第217期“双清论坛”“战略性关键矿产资源”在四川成都召开。来⾃国内相关领域20多所⾼校与科研院所的70余位专家学者参会。论坛期间，与会专家围绕“战略性关键矿产资源”主题，讨论了战略性关键矿产资源国内外研究现状，分析和初步凝炼了战略性关键矿产资源领域的重⼤科学问题和资助部署建议，供基⾦委在制定战略规划或资助建议时参考。
1 关键⾦属矿产的主要特征
关键⾦属矿产以“稀”、“伴”和“细”为主要特征。这些特征决定了认识关键⾦属矿床成矿机理、提⾼关键
⾦属元素⾼效清洁利⽤⽔平，在客观上具有较⼤难度。
1.1“稀”：关键⾦属元素地壳丰度极低
关键⾦属元素以“稀”为主要特征。它们的地壳丰度很低（⼀般为pmm级以下），成矿需要元素数百—上万倍的超常富集，成矿条件苛刻。在什么条件下元素才能超常富集形成关键⾦属矿床，显然是正确认识关键⾦属成矿机制的⾸要问题。关键⾦属矿床在全球分布极度不均。例如，全球已探明铍资源量超过８万吨，65％分布在美国；全球已探明铌资源量超过430万吨，95％分布在巴西；全球已探明钽资源主要分布在澳⼤利亚（62％）和巴西（36％）；中国探明了全球铟、锗、镓、碲等稀散⾦属、钨等稀有⾦属和稀⼟⾦属的⼤部分资源量。因此，要摸清资源家底，查明关键⾦属矿产的分布规律⼗分重要。
1.2“伴”：关键⾦属独⽴成矿少、多以元素伴⽣成矿
许多关键⾦属矿产多为共、伴⽣矿产，元素组合复杂。⽬前这些矿产在我国还存在矿效率不⾼，以及资源回收率低和环境污染严重等问题。厘定元素的共、伴⽣规律，开发多组分共伴⽣矿产综合回收技术，是有效预测关键矿产资源靶区和提⾼其清洁⾼效利⽤⽔平的重要环节。
1.3“细”：关键⾦属元素的载体通常⾮常细⼩
除少数矿床外，⼤部分关键⾦属元素在矿床中的赋存均以“细”为特征。通常呈吸附（如离⼦吸附型稀⼟矿床）、类质同象和固溶体（如闪锌矿中的镉、⽅铅矿中的铟、云母中的铷和铯等）、极细⼩矿物（如许多铌钽铁矿物、稀⼟矿物等）形式存在，具有与⼈为善（被吸附）、精诚合作（类质同像）、挺⾝⽽出（固溶体）、居功不傲（⼩矿物）等典型特征，需要慧眼识英雄。因此，利⽤先进观测技术，正确厘定其微观尺度尤其是基于原⼦、分⼦尺度的赋存状态，是提⾼关键⾦属元素⾼效清洁利⽤⽔平的重要基础。
2 关键⾦属矿床主要类型
关键⾦属矿床类型复杂，不同学者有多种不同划分⽅案。本⽂认为以下五种类型在我国最为重要。
2.1花岗岩－伟晶岩相关矿床
花岗岩型和伟晶岩型矿床在稀有⾦属矿床中占有⼗分重要的地位，是锂、铍、铷、铯、铌、钽、锆、铪和钨等⾦属的主要成矿类型。
花岗岩型稀有⾦属矿床包括⾼分异花岗岩型和碱性花岗岩型。前者在我国主要产于喜马拉雅、昆仑⼭、兴蒙地区和华南，典型实例如江西宜春414超⼤型铌钽锂矿床；后者的典型实例如内蒙古巴尔哲超⼤型铌钽锆稀⼟矿床。近年来，我国在藏南新发现与⾼分异花岗岩有关的错那洞铍多⾦属成矿带，
显⽰巨⼤资源潜⼒。我国的钨矿床主要与花岗岩浆热液成矿有关，已探明的超⼤型矿床７处。华南许多与花岗岩有关的钨锡矿床均共伴⽣产出铌、钽、锂、铍等稀有⾦属矿床。
伟晶岩型稀有⾦属矿床可分为LCT型和NYF型。LCT型以准铝⾄过铝质Ｓ型花岗质成分为主，主要产于造⼭晚期及造⼭后，元素组合特征为Li、Rb、Cs、Be、Sn、Ta＞Nb，并富含B、P、F。和NYF型以亚铝⾄准铝质A型花岗质成分为主，主要产于⾮造⼭期，元素组合特征为Nb＞Ta、Ti、Y、REE、Zr、U、Th，并富含F，相对亏损B、P。
主，主要产于⾮造⼭期，元素组合特征为Nb＞Ta、Ti、Y、REE、Zr、U、Th，并富含F，相对亏损B、P。
我国最著名的伟晶岩型稀有⾦属矿床为新彊可可托海三号伟晶岩脉。此外还有福建南平伟晶岩。近年来，我国在伟晶岩型稀有⾦属矿⽅⾯取得重⼤突破，相继发现了四川甲基卡－可尔因超⼤型锂矿带、湖南仁⾥超⼤型铌、钽矿，新疆和⽥⼤红柳滩超⼤型锂、铍、铌、钽矿等。
2.2碱性岩－碳酸岩相关矿床
从全球⾓度看，很多超⼤型稀⼟矿与碱性岩和碳酸岩相关。集中分布在中国、美国、巴西和澳⼤利亚等少数国家。我国⽩云鄂博是世界上最⼤的稀⼟矿床（3500万吨REO），以产出轻稀⼟为特⾊，并与
铌和铁共⽣。川西的冕宁德昌地区和南秦岭的⽵⼭地区产有我国第⼆和第三的碳酸岩型稀⼟矿床。它们均以轻稀⼟为主。
重稀⼟矿床也产于个别碳酸岩中，如纳⽶⽐亚Lofdal碳酸岩型稀⼟矿床。我国陕西⼩秦岭碳酸岩，呈脉状延长⼏⼗公⾥，全岩具有异常⾼的重稀⼟，新疆巴楚碳酸岩也富含重稀⼟矿物，磷钇矿与独居⽯共⽣。它们应是我国潜在的重稀⼟矿床。
2.3镁铁质－超镁铁质岩相关矿床
基督教女青年会与镁铁－超镁铁质岩相关的关键⾦属元素矿床主要有岩浆铜镍硫化物型铂族元素矿床、钴矿床和层状岩体及蛇绿岩中的铬铁矿矿床等。
阳光聊天室全球90％以的铂族元素（PEG）矿产资源主要赋存在Bushvel以及GreatDyke和Noril'sk等⼏个超⼤型岩浆铜镍硫化物矿床中。全球重要Cu-Ni-PGE硫化物矿床绝⼤多数形成在板内拉张环境，与地幔柱和裂⾕岩浆作⽤有关，但PGE为主的矿床相对较少。近年来在汇聚板块边缘不断发现这些硫化物矿床，但矿⽯中的PGE含量较低。
与镁铁质－超镁铁质岩有关的岩浆铜镍硫化物矿床也是世界钴矿资源的重要来源。钴多以伴⽣⾦属产出，很少形成独⽴的或以钴为主的⼯业矿床。我国岩浆铜镍硫化物型矿床中钴资源仅占全球资源的1.1％。
铬铁矿是唯⼀具经济价值的铬的矿⽯矿物，赋存于⼤型层状镁铁－超镁铁质岩体中，矿⽯呈层状产出，可延伸上百公⾥，也可赋存在蛇绿岩的地幔橄榄岩部分，矿⽯呈透镜状、脉状、瘤状、层状产出。典型实例为南⾮布什维尔德铬铁矿矿床。我国铬铁矿主要分布在西藏罗布莎和新疆萨尔托海、内蒙古锡林郭勒盟赫格敖拉和⽢肃的⼤道尔基。
2.4 热液贱⾦属硫化物矿床
实时渲染
稀散⾦属元素如锗、铟、硒、镉、碲、铊等在⾃然界中很难形成独⽴矿床，它们多产于热液贱⾦属硫化物矿床中。其中，铜矿中主要伴⽣硒、碲，锡⽯硫化物矿中主要伴⽣铟（如⼴西⼤⼚和云南都龙⼤型－超⼤型锡多⾦属矿床），铅锌矿中主要伴⽣锗、铟、镉（如云南会泽和⽑坪超⼤型铅锌矿床）。此外，值得⼀提的是四川⼤⽔沟碲矿床是世界⾸例独⽴碲矿床。⽽贵州滥⽊⼚和安徽⾹泉铊矿床是全球少见的独⽴铊矿床，铊主要赋存在红砷铊汞矿和黄铁矿中。
2.5风化－沉积作⽤相关矿床
与风化－沉积作⽤相关的关键⾦属元素矿床主要有盐湖型（卤⽔型）锂矿、花岗岩风化淋积离⼦吸附型稀⼟矿、远洋软泥中的吸附型稀⼟矿、⼤洋锰结核和锰结壳中钴和稀⼟元素等。
盐湖型（卤⽔型）锂矿是锂资源的⼀种重要类型。主要分布在玻利维亚、智利和阿根廷。其成因机制
主要是在封闭盆地，特别是⼲旱沙漠地区的封闭盆地中，锂在卤⽔中发⽣富集并形成有开采价值的锂矿床。中国卤⽔型锂矿主要分布在青藏⾼原。
我国华南的花岗岩风化淋积离⼦吸附型稀⼟矿是⽬前全球最重要的重稀⼟产地（～1000万吨REO）。稀⼟元素以离⼦的形式吸附在风化壳中的⾼岭⽯、埃洛⽯以及其他粘⼟矿物或者⽩云母、⿊云母以及磁铁矿中。从现有资料推断，东南亚可能存在⼤量离⼦吸附型稀⼟矿。
硼砂溶液近年来，⽇本和我国科学家相继在太平洋和印度洋⽔深3500—6000⽶的远洋软泥中发现⼤量吸附型稀⼟。据估计，海底稀⼟资源量是陆地的800倍，品位⾼达400—2200ppm，低于陆地稀⼟矿的品位，但是容易提取且重稀⼟含量⾼，可能是未来的稀⼟资源。
⼤洋锰结核和锰结壳中含有70多种元素，其中钴的平均含量为0.22％，仅太平洋海底就含约30亿吨钴资源量，相当于陆
⼤洋锰结核和锰结壳中含有70多种元素，其中钴的平均含量为0.22％，仅太平洋海底就含约30亿吨钴资源量，相当于陆地矿⼭中储有钴的3000倍。锰结核和锰结壳中稀⼟元素含量也较⾼，如太平洋麦哲伦海⼭富钴结壳中的∑REE为1093-3266ppm，平均为2087ppm。
3 关键矿产资源研究的主要科学问题
3.1关键⾦属元素多圈层循环与超常富集机理
（1）关键⾦属元素地球化学性质
以往关键⾦属矿产资源研究多集中于成矿机制，忽略了成矿元素本质地球化学性质这⼀基本问题。⾦属元素成矿的核⼼是元素在成矿过程中基于其性质的活化－迁移－富集过程，急需加强该⽅⾯的研究。
（2）重⼤地质事件、层圈物质循环与成矿物质基础
“巧妇难为⽆⽶之炊”，物质基础是成矿的重要前提。例如，超富稀⼟的碳酸岩需富稀⼟的地幔源区，洋壳俯冲（富REE 洋底沉积物加⼊）可能是形成富稀⼟地幔源区的重要机制。对与岩浆活动（花岗岩－伟晶岩、碱性岩－碳酸岩、镁铁－超镁铁岩）有关矿床⽽⾔，有三个关键因素对成矿物质基础起控制作⽤：⼀是源区物质成矿元素的含量，⼆是成矿元素从源区转⼊熔体的效率（含同化混染作⽤），三是受岩浆结晶分异控制的成矿元素⾏为。值得重视的主要科学问题包括：重⼤地质事件驱动成矿的机制、壳幔物质和能量循环与关键元素富集机理、表⽣环境圈层作⽤与关键元素富集机理。
（3）关键⾦属元素超常富集的苛刻条件
是什么因素促使关键⾦属元素迁移和超常富集的？元素的富集成矿，从宏观上与板块俯冲、⼤陆聚合
和裂解、岩浆源区特征、岩浆结晶分异和表⽣作⽤等过程有关，微观上⼜受挥发份、温度、压⼒、氧逸度、酸碱度、古⽓候、古环境等物理的和化学的因素控制。但是，对⼀个具体的关键⾦属元素⽽⾔，其迁移－超常富集的苛刻条件⽬前远未得到清晰揭⽰。⼀个重要事实是，⼤多数关键⾦属元素常与主成矿元素相伴产出，具有共同迁移、沉淀的特征。例如，有研究表明关键⾦属元素In主要产于锡⽯硫化物矿床和富锡Pb-Zn矿床，In通常以类质同像形式进⼊闪锌矿晶格，且只有Cd含量为0.4％左右的闪锌矿才富集In（铟窗效应）。但是，为什么锡⽯硫化物矿床、富锡铅锌矿床才富铟？铟窗效应的本质是什么？哪些锡⽯硫化物矿床、富锡铅锌矿床才富铟？⽬前的认识⾮常模糊。值得重视的主要科学问题包括：岩浆—流体出溶过程和岩—⽔相互作⽤过程元素分配机制，关键⾦属元素与载体矿物的⽣成关系、控制因素和超常富集机制，关键⾦属元素成矿过程核⼼问题模拟实验。
（4）关键⾦属矿床成矿规律
关键⾦属矿产资源在地球上的分布，具有⾼度不均⼀的特点。对地球不同演化阶段和不同构造背景下关键矿产资源分布规律、关键⾦属元素矿床的成矿专属性、元素共⽣分异规律等核⼼问题，⽬前尚未形成清晰认识。今后需要进⼀步开展两个⽅⾯的深⼊研究。⼀是由构造背景和物质基础等因素控制的时空分布规律，⼆是由元素性质和物理化学条件等因素控制的矿化特征（元素组合、矿物类型、赋存状态、矿床类型、定位空间、成矿专属性等）。
抗体酶
我国关键矿产资源潜⼒巨⼤，⼀些新类型关键⾦属矿床值得重视。砂岩型锂矿床、硬岩型重稀⼟矿床、碳酸盐粘⼟型Li-Ga-REE矿床、⽞武岩风化壳型Nb-Ga-REE矿床、⿊⾊岩系型Re矿床、磷块岩型稀⼟矿床等⾮传统矿床类型的资源前景，已初见端倪，可能是下⼀批关键⾦属矿产的重要来源。
3.2关键⾦属元素赋存状态与⾼效清洁利⽤
（1）关键⾦属元素赋存状态
关键⾦属元素的赋存状态是决定矿床可利⽤性的重要因素之⼀，同时也是⾼效清洁利⽤关键⾦属和制备关键⾦属⾼值材料的理论基础。关键⾦属元素矿物在矿床中⼤多呈分散状分布，关键⾦属赋存状态研究的主要问题包括：①⾦属成键类型对于关键⾦属氧化物、硅酸盐或磷酸盐结晶的控制机制；②关键⾦属在矿物／熔体间的分配⾏为对其在矿物中置换能⼒的影响；③关键⾦属元素配位多⾯体性质（四⾯体、⼋⾯体、或结构层间等）对矿物物理化学性质（密度、解理、表⾯反应性等）的影响，以及关键⾦属矿物次⽣变化对元素赋存状态的制约。
我国稀⼟资源丰富，离⼦吸附型稀⼟矿是我国最有特⾊和控制⼒的资源，最新研究表明纳⽶重稀⼟矿物与铁锰氧化物的共沉淀机制是具挑战性的问题。深海软泥中存在富稀⼟沉积物，稀⼟的来源和赋存状态值得研究。⽩云鄂博矿床中稀⼟元素赋存形式仍未彻底弄清楚，制约了微⽶级稀⼟矿选矿。同样，我国西南地区前寒武纪磷块岩也⾮常富集稀⼟，但稀⼟元素的赋存形式限制了其有效利⽤。
⼟元素的赋存形式限制了其有效利⽤。
（2）关键⾦属元素⾼效清洁利⽤
我国⽬前开采的关键⾦属矿产资源多属于低品位、共伴⽣、难分离的复杂矿产资源。已有传统技术的资源利⽤率低、资源浪费和环境污染严重，清洁⾼效利⽤技术的研发已成为关键⾦属⼯业的重⼤需求，特别需要开展复杂共伴⽣⾦属原⽣及⼆次资源⾼效转化、清洁分离新原理、新过程和新技术的研究。主要包括：①介质⾼效转化的强化和调控原理、多相复杂体系界⾯特性、相间传递及调控和产品构效关系与定向调控；②⾦属元素选择性转化与分配规律、多组元物相结构调控机制；③多元多相分离提纯－材料合成⼀体化的新理论新⽅法、分离过程各元素微观⾏为精细调控。
要加强关键⾦属新材料基础研究，从源头发掘材料的新功能新⽤途。稀⼟新材料的研究开发与应⽤是国际上最关注也是竞争最激烈的领域之⼀。稀⼟元素在多个重要材料领域中的基本功能还没有得到充分开发利⽤。需要聚焦于稀⼟电⼦结构—物性的关联、4ｆ电⼦特性机理等关键问题的深度研究。
4 结语
在当前深刻变⾰和复杂调整的国际政治经济形势下，西⽅国家⼗分关注战略性关键矿产资源，先后制定了各⾃的关键矿产资源发展战略，未来世界各国将会为这些矿产资源的持续安全供给进⾏不懈努⼒。
⽐较⽽⾔，我国对关键矿产资源还存在基础研究薄弱、资源家底不清、战略统筹不⾜等严重问题。为此，建议我国尽快从国家层⾯制定相关发展战略和研究计划，通过地质、矿产、冶⾦等多学科的交叉合作，加强对关键⾦属元素多圈层循环与成矿机理和成矿规律、关键⾦属元素赋存状态和⾼效清洁利⽤等问题的基础研究，为摸清我国关键矿产资源家底、提⾼关键矿产资源战略统筹能⼒提供重要科学依据。
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